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Ein optischer Fingerabdrucksensor detektiert in der Regel Licht, das an einer Oberfläche, die mit dem Finger in Berührung ist, reflektiert wird. Dabei wird bisher meistens eine Anordnung benutzt, bei der die Lichtquelle unterhalb der Auflagefläche für den Finger platziert ist und das Licht an einer Glasplatte oder im Inneren eines Prismas, dessen Oberfläche mit dem Finger in Kontakt gebracht wird, reflektiert wird und anschließend auf die Sensorelemente zur Bilderfassung trifft. Eine solche Anordnung ist relativ groß im Vergleich zu einem als Halbleiterbauelement konzipierten integrierten Fingerabdrucksensor, wie z. B. einem kapazitiv messenden Fingerabdrucksensor mit integrierter Auswerteschaltung, und infolgedessen auch erheblich teurer.
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Ein Fingerabdrucksensor kann eine matrixartige Anordnung von Sensorelementen besitzen und dafür vorgesehen sein, beim Aufliegen einer Fingerbeere den Fingerabdruck insgesamt zu erfassen. Statt dessen kann nur ein schmaler Streifen von Sensorelementen vorhanden sein, mit dem ein schmaler Ausschnitt des Fingerabdrucks erfasst wird. Der Finger wird über den Streifen gezogen, wobei in kurzen Zeitabständen Teilbilder in streifenförmigem Format aufgenommen werden, die anschließend elektronisch zu dem Gesamtbild zusammengesetzt werden.
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In der
EP 0 828 452 B1 ist ein Fingerabdrucksensor beschrieben, bei dem eine matrixartige Anordnung von Sensorelementen auf einer Unterseite eines Trägers und eine Auflagefläche für eine Fingerkuppe auf dessen Oberseite vorhanden ist. An der Unterseite ist ein Substrat angebracht, das über Leuchtmittel verfügt, die zwischen den Sensorelementen Licht in Richtung auf die Auflagefläche aussenden. Alternativ ist eine seitliche Lichteinstrahlung durch das Substrat hindurch vorgesehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Fingerabdrucksensor als elektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das kompakte Abmessungen aufweist und einfach herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit dem Fingerabdrucksensor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der optische Fingerabdrucksensor ist als integriertes Halbleiterbauelement ausgebildet. Er umfasst ein Substrat mit mindestens einem Schaltungsbauelement einer Ansteuerschaltung und/oder Auswerteschaltung zum Betrieb des Sensors sowie mit Sensorelementen zur optischen Bilderfassung in einem Raster, die im Bereich einer für eine Fingerkuppe oder einen streifenförmigen Bereich der Fingeroberfläche vorgesehenen Auflagefläche angeordnet sind. Diese Auflagefläche besitzt einen festen Abstand zu den Sensorelementen. Es ist eine seitlich der Sensorelemente und der Auflagefläche angeordnete Lichtquelle vorhanden, die die Sensorelemente bzw. die zur Bilderfassung dienenden Bereiche der Auflagefläche beleuchtet. Als Lichtleiter ist eine optische Schicht vorhanden, die als Anteil einer Oberflächenstruktur des Bauelementes zwischen den Sensorelementen und der Auflagefläche vorhanden ist und innerhalb deren das Licht von der seitlichen Lichtquelle parallel zu der Auflagefläche in den Sensorbereich geleitet wird.
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Durch die optische Schicht können Lichtleiter gebildet sein, die das Licht in den Bereichen zwischen den Sensorelementen und gegebenenfalls zwischen Bauelementen elektronischer Schaltungen hindurch zu den jeweiligen Sensorelementen hin leiten. Die optische Schicht ist ein gut lichtdurchlässiges Material, zum Beispiel SiON, das im Übrigen auch als Passivierung eingesetzt wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Fingerabdrucksensors sieht vor, dass zur besseren Ausleuchtung der Sensorelemente nur ein vergleichsweise schmaler Streifen von Sensorelementen vorhanden ist, der in der Richtung der Schmalseite nur höchstens sechzehn Sensorelemente umfasst. Mit einer solchen Anordnung von Sensorelementen wird ein gesamter Fingerabdruck während eines Überstreichens der Auflagefläche erfasst. Wenn das Licht in der optischen Schicht quer zu der Längsrichtung des Streifens eingestrahlt wird, erreicht man eine weitgehend gleichmäßige Ausleuchtung des Sensors.
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Eine bevorzugte Ausführungsform, bei der der Fingerabdrucksensor mit einer als ESD-Schutz (Electrostatic Discharge) vorgesehenen Leiterstruktur versehen ist, verwendet diese Schutzstruktur zur seitlichen Begrenzung der Lichtkanäle. Die ESD-Schutzstrukturen sind unter und/oder in der Auflagefläche angebracht und schützen die Schaltungen vor elektrostatischen Entladungen zwischen dem Finger und den Sensorelementen. Die ESD-Schutzstrukturen können eine verzweigte Anordnung von parallelen und/oder im Winkel zueinander angeordneten Wänden bilden, zwischen denen das Licht durch die optische Schicht hindurch geleitet wird.
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Optische Sensorelemente benötigen weniger Fläche als kapazitiv messende Sensorelemente, die zum Beispiel durch metallische Leiterflächen gebildet sind. Bei einem Fingerabdrucksensor mit optischen Sensorelementen können daher die beschriebenen Lichtkanäle der optischen Schicht unter Beibehaltung einer üblichen lateralen Auflösung von 500 dpi oder mehr zwischen den Sensorelementen angeordnet werden, auch wenn die Wandungen und seitlichen Begrenzungen der Lichtkanäle einen höheren Flächenanteil beanspruchen als ESD-Schutzstrukturen.
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Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensors anhand der beigefügten Figuren.
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Die 1 zeigt einen Fingerabdrucksensor im Ausschnitt im Querschnitt.
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Die 2 zeigt die in der 1 markierte Schnittaufsicht.
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In der 1 ist im Querschnitt ein Ausschnitt aus dem Fingerabdrucksensor dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind auf einem Substrat 1 aus Halbleitermaterial ein oder mehrere integrierte Schaltungsbauelemente 2 angeordnet. Diese Schaltungsbauelemente können zum Beispiel Transistoren einer Ansteuerlogikschaltung sein. Zur optischen Bilderfassung in einem Raster von Bildpunkten (Pixel), zum Beispiel matrixförmig angeordnet, sind Sensorelemente 3 zwischen den Schaltungskomponenten vorhanden. Eine Anordnung der Sensorelemente kann auf einen dafür vorgesehenen gesonderten Bereich der Substratoberfläche eingeschränkt sein. Die Schaltungsbauelemente können in einem davon getrennten weiteren Bereich als Ansteuerperipherie angeordnet sein. Bei dem erfindungsgemäßen Fingerabdrucksensor sind die Sensorelemente 3 jedoch sehr platzsparend ausgebildet, so dass zwischen den Sensorelementen 3 genügend Fläche zur Anordnung von Schaltungsbauelementen 2 vorhanden ist.
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Die Sensorelemente 3 und gegebenenfalls die Schaltungsbauelemente 2 sind mit einer Schicht eines Dielektrikums 4 bedeckt. Es können die ansonsten von Halbleiterbauelementen vorgesehenen weiteren Schichten, die hier nicht eingezeichnet sind, vorgesehen werden. Oberhalb des Dielektrikums 4 befindet sich eine optische Schicht 5, die als Lichtleiter geeignet ist. Als Material für die optische Schicht 5 kommt eine lichtdurchlässige oberseitige Passivierung des Halbleiterbauelementes, zum Beispiel SiON, in Frage. Diese optische Schicht 5 ist dafür vorgesehen, das Licht zwischen der Schichtebene der Sensorelemente 3 und der Auflagefläche 8 für die Fingerkuppe parallel zu diesen Schichtebenen zu den Sensorelementen 3 zu leiten.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind in der optischen Schicht 5 und bis zur Oberseite reichend Wandungen oder Berandungen einer Lichtkanalstruktur 6 vorhanden, die insbesondere Komponenten einer ESD-Schutzstruktur darstellen können. Die oberste Schicht ist eine Schutzschicht 7, auf der sich die Auflagefläche 8 für eine Fingerkuppe befindet. In dem Beispiel der durch eine ESD-Schutzstruktur gebildeten Lichtkanalstruktur 6 reicht die Lichtkanalstruktur 6 vorzugsweise bis zur Auflagefläche 8, um so einen direkten elektrischen Kontakt mit der Hautoberfläche zu ermöglichen.
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Die 2 zeigt die Schnittaufsicht, die in der 1 eingezeichnet ist. In der 2 sind die Begrenzungen oder Wandungen der Lichtkanalstruktur 6 in der optischen Schicht 5 erkennbar. In den Aussparungen zwischen den Lichtkanälen sind die Sensorelemente 3 angeordnet. Die Begrenzungen oder Wandungen, die die Lichtkanalstruktur 6 bilden, sind im Bereich der Sensorelemente 3 zumindest teilweise offen, so dass das Licht aus den Lichtkanälen in den Bereich der Sensorelemente 3 gelangt und dort von unten auf die Fingerkuppe mit dem zu erfassenden Fingerabdruck trifft. Damit ist eine vollständige Ausleuchtung der für die Bilderfassung vorgesehenen Bereiche möglich.
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Die Begrenzungen oder Wandungen sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung der Sensorelemente 3 gewährleistet ist. Das kann zum Beispiel dadurch bewirkt sein, dass die Begrenzungen oder Wandungen bei denjenigen Sensorelementen, die weiter von der Lichtquelle entfernt angeordnet sind und die daher nur von einem schwächeren Lichtanteil erreicht werden, schräg in den Lichtweg ausgerichtete Ansätze oder vorragende Reflektoren besitzen, die das ankommende Licht besonders wirkungsvoll aus dem Lichtkanal zwischen den Sensorelementen in den Bereich des jeweiligen Sensorelementes lenken. Auch empfiehlt es sich, die für den Lichteintritt vorgesehenen seitlichen Öffnungen der Wandungen bei den betreffenden Sensorelementen größer auszubilden als bei den näher zu der Lichtquelle angeordneten Sensorelementen.
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An oder in dem Halbleiterchip ist eine Lichtquelle 9 vorhanden, die in der 2 durch das Schaltungssymbol einer Lampe dargestellt ist. Die Pfeile bezeichnen den optischen Weg, den das Licht durch die Lichtkanalstruktur 6 nimmt. Die Lichtquelle kann zum Beispiel als ein optoelektronisches Bauelement in dem Halbleiterchip des Fingerabdrucksensors integriert sein. Eine Einkopplung des Lichts in die Lichtkanalstruktur 6 erfolgt dann analog zur Einkopplung von Strahlung in einen Lichtwellenleiter. Die optische Schicht 5 kann im Prinzip eine beliebige optisch durchlässige Passivierungsschicht sein.
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Die Lichtkanäle zwischen den Sensorelementen können zur Auflagefläche 8 hin durch eine lichtundurchlässige Abdeckung, die in der 1 nicht eingezeichnet sind, abgedeckt sein, so dass das Licht nur in den Bereichen der Sensorelemente nach oben zum Finger hin austritt. Die lichtundurchlässige Abdeckung ist vorzugsweise zwischen der optischen Schicht und der Schutzschicht 7 angebracht. Die Schutzschicht 7 kann insbesondere eine chemische Schutzschicht gegen äußere Einwirkung ätzender oder säurehaltiger Materialien sein, die insbesondere beim Auflegen der Fingerkuppe aufgebracht werden. Die Menge an Licht, die aus den Lichtkanälen auf die Sensorelemente fällt, ergibt sich aus der Summe der direkt auf die Sensoren einfallenden Anteile und der von den Seitenwänden und der Sensoroberfläche reflektierten Anteile.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 2
- Schaltungsbauelement
- 3
- Sensorelement
- 4
- Dielektrikum
- 5
- optische Schicht
- 6
- Lichtkanalstruktur
- 7
- Schutzschicht
- 8
- Auflagefläche
- 9
- Lichtquelle
